FTP brevette un système de contrôle électrique de l’alimentation gaz qui optimise la catalyse des gaz d’échappement

Innovation technologique Véhicule Motorisation TRL 1-3

Le centre de Recherche FPT Motorenforschung AG, filiale de CNH Industrial (IVECO), a breveté un nouveau système permettant d’améliorer la régulation de l’alimentation en carburant des moteurs à combustion interne, notamment pour les moteurs à gaz naturel. 

Dans une configuration classique, un moteur à combustion interne est généralement doté d’un catalyseur trois voies servant au traitement des gaz d’échappement. Lorsque le moteur fonctionne avec un ratio air/combustible stœchiométrique, le catalyseur permet d’oxyder efficacement le monoxyde de carbone (CO) et les résidus d’hydrocarbure (HC), ainsi que de réduire les oxydes d’azote (NOX). Toutefois la moindre déviation de ce rapport air/combustible entraîne une dégradation rapide des performances du traitement des gaz d’échappement. Si la combustion est trop pauvre en oxygène, le taux de conversion des NOX diminue fortement. À l’inverse si la combustion est trop riche, la conversion des CO et HC se dégrade, et de l’ammoniac (NH3) se forme. Au-delà de ces caractéristiques, l’efficacité des catalyseurs est également fonction d’autres paramètres (dont la température). Afin d’optimiser la performance des catalyseurs, une stratégie consiste donc à se placer au plus près des conditions de fonctionnement optimales du catalyseur retenu, et à gérer les perturbations en revenant dès que possible au point de fonctionnement nominal.

De tels systèmes de contrôle ont été développés pour les moteurs essence. Dans le cas des moteurs au gaz naturel, une contrainte supplémentaire est toutefois à prendre en compte. En effet, une désactivation de la catalyse du méthane résiduel peut avoir lieu lorsqu’un mélange riche, pauvre ou stœchiométrique est maintenu.

Dans les moteurs à gaz naturel, le rapport air/carburant est donc contrôlé de manière à osciller autour de la stœchiométrie, selon un schéma d’oscillation prédéfini. Lorsqu’un capteur détecte une faible concentration d’oxygène à la sortie du moteur, une combustion pauvre est enclenchée. En revanche lorsque le capteur détecte une forte concentration d’oxygène, une combustion riche est provoquée. Cette stratégie est relativement aisée à mettre en place, mais demande un calibrage précis pour obtenir le comportement désiré. En particulier, la gestion efficace des perturbations (coupure d’alimentation, régimes transitoires, etc.) nécessite une commande fine du système.

L’innovation consiste donc à proposer une méthode de contrôle électronique de l’approvisionnement en carburant pour des moteurs à combustion interne utilisant du gaz naturel. 

Sur le schéma ci-dessous, l’arrivée d’air (5) est dirigée vers différents cylindres du moteur (2) en réponse à une commande réglée par l’utilisateur. L’injection de carburant (8) est contrôlée quant à elle par des signaux électriques (C).

Les signaux sont générés par une unité de contrôle électrique (ECU), en fonction d’une stratégie de contrôle prédéfinie, basée sur la quantité d’air entrant dans les cylindres.

Le système de traitement des gaz d’échappement (10) est notamment composé d’un catalyseur à 3 voies (14).Un capteur (18) est installé dans le système de traitement des gaz d’échappement afin d’en mesurer différents paramètres comme la température. Deux capteurs sont également placés respectivement en amont (LSU) et en aval (LSF) du catalyseur. Les gaz d’échappement en sortie du moteur actionnent par ailleurs une turbine (19) permettant d’actionner le compresseur (6) régissant l’arrivée d’air (5).

L’asservissement est mis en œuvre selon le procédé suivant :

  • La sonde LSU génère un signal représentatif de la concentration d’oxygène à la sortie du moteur

  • Parallèlement, la sonde LSF remonte également un signal représentatif de la concentration en oxygène dans les gaz d’échappement, après l’étape de catalyse (14).

  • Le signal remonté par le capteur LSU est interprété par l’unité de calcul ECU, qui, grâce à un algorithme intégré, détermine la valeur λr du ratio air/carburant dans le moteur.

  • Cette variable est ensuite comparée par le bloc de contrôle à un point de consigne λset. L’unité de calcul intègre un système de commande (boucle de rétroaction) permettant de paramétrer le signal C commandant l’injection de carburant de telle manière à ce que le ratio λair/combustible corresponde à la consigne.

La spécificité des moteurs GNV nécessite toutefois d’introduire une logique d’oscillation pour éviter la désactivation de la catalyse du méthane. Pour ce faire, le point de consigne λset est rendu variable dans le temps. Il est constitué de deux constantes, respectivement inférieures et supérieures à 1. Afin d’assurer des conditions stœchiométriques, le signal est rendu symétrique selon l’axe 1.

L’alternance du signal entre ses deux bornes est notamment pilotée selon les valeurs mesurées en sortie de catalyseur, et des conditions d’opérations mesurées dans ce dernier.

En particulier, le modèle estime la concentration en oxygène dans le catalyseur, qui est comparée à deux seuils (S1 et S2, voir schéma ci-dessous).

Lorsque le niveau d’oxygène devient plus faible que la valeur seuil S2, la consigne est fixée à L1 de manière à déclencher une combustion pauvre. Le niveau d’oxygène va alors progressivement remonter jusqu’à atteindre le seuil S1, qui déclenchera lui-même une combustion riche. De telle manière, le système alterne entre conditions riches et pauvres continuellement, assurant le fonctionnement du catalyseur sans désactivation.

Les paramètres du système (valeurs seuils, signaux,..) sont optimisées selon les valeurs mesurées et permettent donc de maintenir un fonctionnement au plus proche des conditions opératoires optimales. De telle manière, la catalyse est optimisée, s’adaptant aux perturbations et aux conditions réelles de conduite.

L’innovation ainsi proposée par FPT Motorenforschung AG permet d’entrevoir des améliorations sensibles de la catalyse du méthane résiduel dans les véhicules au gaz naturel. En particulier, elle permet d’améliorer la performance environnementale des véhicules au gaz dans des conditions réelles de conduite. Les émissions en conditions réelles font en effet l’objet d’une attention croissante, au regard notamment des écarts ayant pu être constatés avec les mesures en banc d’essai.

Pour en savoir plus : Espacenet – Données bibliographiques